EP4395068B1 - Balun rat-race et procédé de réduction d'encombrement de balun rat-race associé - Google Patents

Balun rat-race et procédé de réduction d'encombrement de balun rat-race associé

Info

Publication number
EP4395068B1
EP4395068B1 EP23217926.7A EP23217926A EP4395068B1 EP 4395068 B1 EP4395068 B1 EP 4395068B1 EP 23217926 A EP23217926 A EP 23217926A EP 4395068 B1 EP4395068 B1 EP 4395068B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
balun
section
transmission line
port
impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP23217926.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP4395068A1 (fr
Inventor
Aymeric CAILLEUX
Laure HOGOMMAT-CHABROT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP4395068A1 publication Critical patent/EP4395068A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP4395068B1 publication Critical patent/EP4395068B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/22—Hybrid ring junctions
    • H01P5/222—180° rat race hybrid rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines

Definitions

  • the invention lies in the field of Rat-Race type baluns.
  • balun comes from the English words BALanced and UNbalanced.
  • a balun is an electrical circuit used to connect a balanced transmission line (two-wire line or parallel printed lines) to an unbalanced transmission line (coaxial cable or printed line above a ground plane).
  • a balun can be made, for example, using coiled coaxial cable or a small section of two-wire line wound on a ferrite core or a coreless mandrel (air-core balun). Such a balun can operate over a wide frequency band (2 to 4 octaves).
  • a balun can also be made using a loop of coaxial cable with an electrical length equal to half the wavelength. This type of balun is single-frequency; in fact, it only functions correctly over a narrow frequency band, a few percent of the wavelength. Baluns are also implemented on printed circuit boards, using microstrips or striplines, for example.
  • a Rat-Race type balun can also be used to combine signals: at port 3 is delivered the difference between two signals injected into the input of the balun, after phase correction, one at port 2, the other at port 4 and at port 1 is delivered, after phase correction, their sum.
  • US 10320049 B2 describes an annular directional coupler, notably for microwave distance sensors.
  • US 8416033 B2 describes a compact, dual-band hybrid ring coupler based on metamaterials.
  • Such a balun makes it possible to reduce the size of Rat-Race type baluns on the electronic media on which they are integrated.
  • the processing module 1 includes a power transistor (“High Power Amplifier”), named HPA 11. It operates on the L band (or any other frequency band, in narrowband, for example less than 20 MHz wide, or even 15 MHz and at powers up to 1.5 kW peak.
  • HPA 11 High Power Amplifier
  • L band or any other frequency band, in narrowband, for example less than 20 MHz wide, or even 15 MHz and at powers up to 1.5 kW peak.
  • power transistors have a low input impedance compared to the standard 50 ⁇ impedance and are regularly composed of two chips (which can be considered as two transistors), in a push-pull configuration here, which necessitates splitting the input signal and phase-shifting them. 180° before supplying them to the transistor input.
  • the fact that the signals supplied to the input of the HPA 11 are in opposite phase helps to reduce interference due to amplification on two very close chips.
  • the processing module 1 includes upstream of the HPA 11 a balun 10 in an embodiment of the invention.
  • the input signal of the processing module typically an RF pulse train in the L band (in the example considered with power In 47 dBm, and load rate 2%), is supplied to the input of port P1 of the balun 10.
  • the power of this input signal is P.
  • the two output signals from ports P2 and P4, of the same power P/2 (at +/-0.2 dB % for example) and in opposite phase to each other, are supplied one at the input of one of the two chips of the HPA 11, the other at the input of the other of the two chips of the HPA 11.
  • the two amplified signals which are out of phase, are supplied to the input of a balun 12, one on its port P2, the other on port P4.
  • the balun 12 realigns these signals with each other and delivers the sum of these two realigned signals at its output on its port P1.
  • the input impedance of balun 10 is Z 0 , which is much greater than each of the input impedances Z E and output impedances Z S of HPA 11.
  • Z 0 50 ⁇ and Z E , Z S less than 20 or even 10 ⁇ (especially if LDMOS transistor), for example here 2.5 ⁇ .
  • Balun 10 here built on a printed circuit board (PCB) with microstrips for example, has transmission line sections between each port P1 , P2 , P3 , P4 .
  • PCB printed circuit board
  • each transmission line section between two adjacent ports conventionally, has a physical length (in meters) of ⁇ /4, except for the section between adjacent ports P1 and P4 (i.e., the section that does not include ports P2 and P3 ), which has a physical length of 3 ⁇ /4, where ⁇ is the wavelength corresponding to the center frequency of the input signal of processing module 1.
  • the electrical length corresponds to the physical length ⁇ /4 is equal to 90°.
  • "electrical wavelength” is a theoretical way to express wavelength without having to consider the circuit's environment: PCB (printed circuit board), etc. In practice, this means considering that a wavelength ⁇ corresponds to 360°. Theoretically, for a specific application, the same wavelength ratio must be maintained.
  • the propagation of EM waves depends on the medium, so depending on the substrate, ⁇ (in meters) changes, but not its associated wavelength (always 360°).
  • the impedance of the unloaded transmission line of physical length ⁇ /4 is Z c .
  • each quarter-wave line section considered in the first embodiment is replaced by its equivalent in a transmission line loaded by a capacitor.
  • each transmission line section of length ⁇ /4 (as shown on the left of the figure 2 ) is thus replaced (as shown to the right of the figure 2 ) by a transmission line section of electrical length 2 ⁇ 1 , of impedance Z1 and loaded with a capacitor, i.e. by two transmission line sections each of electrical length ⁇ 1 and of impedance Z1 intersected by a capacitor put in parallel, of capacitance C, and therefore connected to ground.
  • balun size A 52% reduction in balun size, corresponding in particular to the choice of a ⁇ 1 value less than 45°, was obtained in one example implementation.
  • the reduction ratio depends on the chosen ⁇ 1 , and also on the PCB (particularly its dielectric permittivity parameter ⁇ 0 ).
  • a reduction occurs when ⁇ 1 ⁇ 45°: there is a reduction in line length, which is highly dependent on the PCB used.
  • there is a reduction in line width which is highly dependent on the PCB used, largely on its thickness.
  • the capacitance value of the capacitor and the impedance of the loaded line segments are deduced from the equations above relating them to the electrical length ⁇ 1 chosen less than 45°.
  • the impedance being a function of the physical width of the microstrip, the latter are determined as a function of the impedance Z 1 (Z1 here designating the impedance of the type characteristic impedance of the loaded lines, i.e. the impedance that an input line would have if it were of infinite length: it does not depend on the length).
  • the resonant frequency value of the loaded transmission line is adjustable as required by changing the value of C (for example by using varactor-type capacitors).
  • balun 10 is needed that operates at low output impedances P2 , P4 .
  • the second embodiment is modified in that the line section 3 ⁇ /4 between the adjacent ports P1 , P4 is replaced by its line equivalent loaded with a single capacitor this time, of capacitance C2, as shown in the functional diagram of the figure 3 , this section of line is then made up of two transmission line segments each of impedance Z 3 and electrical length ⁇ 2 , intersected by a parallel capacitor of capacitance C2 which is also connected to ground.
  • This topology is more restrictive than the previous one shown in the second embodiment, because the impedance of the two sections replacing the 3 ⁇ /4 line is then, unlike before, proportional to their electrical length.
  • a further reduction in the size of the balun 10 can be obtained if the value of ⁇ 1 is chosen to be less than 45° and if the value of ⁇ 2 is chosen to be less than 135°, the impedance and electrical length values being determined using the following equalities 0_3 and 0_4.
  • Z 3 ⁇ Z P 1 P 4 tan ⁇ 2
  • Z P 1 P 4 is the impedance of the equivalent transmission line section between adjacent ports P 1 P 4 , of physical length 3 ⁇ /4 and unloaded.
  • C 2 ⁇ 2 tan ⁇ 2 ⁇ Z P 1 P 4 tan 2 ⁇ 2
  • Rat Race balun commonly used is circular or square and is therefore not ideal, especially for use in a push-pull 10 type processing module on a printed circuit board, which has a long, narrow structure.
  • balun 10 in a "bean" shape (in the plane in which the printed circuit board extends), as shown in figure 4 , instead of a ring shape such as that shown in figures 2 And 3 .
  • This new topology allows the two ports P 2 , P 4 to be oriented towards the HPA 11 transistor, while having an input port P 1 oriented in the opposite direction, via, for example, an impedance transformer.
  • the bean-shaped balun 10 comprises a perimeter 41 made up of transmission line sections. In the counter-clockwise direction, the section between ports P2 and P4 is concave, and then the section between P4 and P2 is convex.
  • Each capacitor in the loaded line sections is connected on one side to the transmission line forming perimeter 41 and on the other side to ground via one of the vias (represented by small circles in figure 4 ) in zone 40 which is inside the perimeter of the bean balun 10.
  • the bean-shaped balun 10 is constructed using circular arcs between the four consecutive ports, and the lengths of these arcs are fixed according to the inter-port lengths calculated according to one of the first, second, and third embodiments. Combining this bean shape with the use of loaded lines as described in the second and third embodiments allows for a significant reduction in line size.
  • each of capacitance C 12 arcs of circles and their respective lengths are defined, with 2 concentric arcs of circles (delimiting a transmission line) between each pair of consecutive ports: the structure is divided into 12 arcs of circles; the angle of some is increased (those adjacent to ports P2, P3 and P4), without changing their length, so as to obtain the desired shape.
  • sections 52 and 54 of ports P2 and P4, immediately connected to the bean-shaped balun 10 are parallel to each other and extend (in embodiments where their length is non-zero) in the same direction, DE , from the bean-shaped balun 10. In another embodiment, these two parallel sections are identical.
  • a section 51 of port P1 (extending in the plane of the printed circuit board) of balun 10 is parallel to the sections of ports P2 and P4 and extends in one direction from balun 10 in the opposite direction, DO. In another embodiment, it is replaced by a parallel resistor
  • the input signal is supplied to the input of the bean-shaped balun 10, at port P1; the signal transmitted through the balun 10 undergoes power division and phase inversion, and the signals at the outputs of pots P2 and P4 have a power equal to half the power of the input signal and are in phase inversion.
  • Port P3 of the balun 10 is isolated (connected by a load to ground) in the processing module shown in figure 1 .
  • the impedance is for example 12.5 ⁇ , then matching circuits (length different from ⁇ /4) are arranged between HPA 11 and balun 10 to lower the impedance to Z E if necessary (an impedance transformer in a known way includes transmission lines having increasing or decreasing diameters to modify the impedance).
  • balun 10 corresponding to embodiment 2 and/or 3 is particularly suitable for narrowband applications.
  • the embodiments described above can be implemented independently or in combination: for example, in one embodiment of the invention, the bean-shaped balun 10 is combined with one of the first, second, and third balun embodiments. Each embodiment provides a balun with a reduced footprint.
  • a transformer impedance 42 which in one embodiment is also loaded by a capacitor 37, is inserted between the perimeter 41 of the balun 10 and the port P 1 , to further reduce the size of the processing module 1. Similar to what has been explained with respect to the 2nd embodiment and using the same equalities 0_1 and 0_2, a portion ⁇ /4 of the transmission line of the impedance transformer is replaced by a line loaded by a capacitor, which is shorter than the unloaded equivalent.
  • the balun 10 according to the invention is therefore a signal splitter, with or without impedance transformation depending on the case, which is miniaturized and optimized with capacitor-loaded transmission lines.
  • the invention advantageously replaces the historical solution combining an impedance transformer ⁇ 4 associated with a phase shifter ⁇ 2
  • the invention is even more interesting for low permittivity substrates (FR-4 or RO4350b, low-cost substrates), where the bulk of the conventional solution is even more significant.
  • the footprint is significantly reduced: for an FR4 HP substrate with a dielectric permittivity constant of 4.34 and a height of 0.245 mm, a reduction of approximately 80% is observed, as shown in the table below, when combining embodiments 3 and 4 with a loaded transformer. This depends on the minimum line width and the power rating of the lines and capacitors.
  • FIG 1 represents a top view of a printed circuit board of a push-pull device 1 in one embodiment of the invention.
  • the balun 10, or 12 respectively has a kidney-shaped form according to the fourth embodiment (see frame 10_1, or 12_1 respectively).
  • Frame 10_2, or 12_2 respectively indicates the location of the impedance transformer (the transformer load is not visible in this figure).
  • a space-reduction module comprising a memory storing software instructions and a processor, determines, following the execution of the software instructions on the processor, the values of Z 1 , ⁇ 1 and C of the balun 10 satisfying the equalities 0_1 and 0_2 such that ⁇ 1 ⁇ 45°.
  • the space reduction module further determines the values of Z3 , ⁇ 2 and C2 satisfying the equalities 0_3 and 0_4 such that ⁇ 2 ⁇ 135 °.
  • the balun is then manufactured taking these characteristics into account.
  • the footprint reduction module determines, based on these lengths and the actual line impedances, the definition data for a bean shape for a Rat-Race balun and ports, to obtain a bean balun as described above for example.
  • Such a process makes it possible to obtain a push-pull assembly including the Rat-Race Balun built under these conditions, and occupying a small footprint.
  • the process can be implemented by executing software instructions on a processor as described. Alternatively, it can be implemented by dedicated hardware, typically a digital integrated circuit, either specific (ASIC) or based on programmable logic (e.g., FPGA/Field Programmable Gate Array).
  • ASIC application specific integrated circuit
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the loaded 3 ⁇ /4 line can exhibit a size reduction for: ⁇ cl ⁇ ⁇ 2 3 ⁇ 4 mod ⁇
  • miniaturized rat-race couplers exhibit the same performance for three ⁇ /4 lines loaded with capacitors and for one 3 ⁇ /4 line loaded with a capacitor.

Landscapes

  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Description

    Domaine technique :
  • L'invention se situe dans le domaine des baluns de type Rat-Race.
    • Technique antérieure :
  • Le terme balun vient des mots anglais BALanced (équilibré, balancé) et UNbalanced (déséquilibré, non balancé).
  • Un balun est un circuit électrique utilisé pour effectuer la liaison entre une ligne de transmission symétrique (ligne bifilaire ou lignes imprimées parallèles) et une ligne de transmission asymétrique (câble coaxial ou ligne imprimée au-dessus d'un plan de masse). Un balun est par exemple réalisé à l'aide de câble coaxial enroulé ou d'une petite section de ligne bifilaire bobinée sur un tore en ferrite ou sur un mandrin sans noyau (balun dans l'air). Un tel balun peut fonctionner sur une large bande de fréquences (2 à 4 octaves). On peut également fabriquer un balun à l'aide d'une boucle de câble coaxial d'une longueur électrique égale à la demi-longueur d'onde. Le balun est alors mono-fréquence, en fait il fonctionne correctement sur une bande de fréquences étroite, de quelques pourcents. Des baluns sont réalisés sur des circuits imprimés, avec des microstrips, des striplines par exemple.
  • Un balun de type Rat-Race est un composant en forme de boucle, classiquement en anneau ou en carré, comportant quatre ports n°1, 2, 3, 4 tels qu'un signal entrant sur le port 1 est divisé entre les ports 2 et 4 en opposition de phase et un signal entrant sur le port 3 est divisé entre les ports 2 et 4 en phase, le port 3 étant isolé. Il a donc pour fonction de diviser un signal radiofréquence (RF) de puissance P en deux signaux RF de puissance P/2 ou de combiner deux signaux RF de puissance P/2 en un signal RF de puissance P.
  • Un balun de type Rat-Race peut également être utilisé pour combiner des signaux : au port 3 est délivrée la différence entre deux signaux injectés en entrée du balun, après remise en phase, l'un au port 2, l'autre au port 4 et au port 1 est délivrée, après remise en phase, leur somme.
  • US 2022/0263212 décrit un exemple de balun de type Rat-Race.
  • US 10320049 B2 décrit un coupleur directionnel annulaire, notamment pour capteurs de distance à micro-ondes.
  • US 7639102 B2 décrit des coupleurs de duplexage reconfigurables.
  • US 8416033 B2 décrit un coupleur en anneau hybride compact à double bande à base de métamatériaux.
  • Il existe un besoin de réduire l'encombrement des baluns de type Rat-Race sur les supports électroniques sur lesquels ils sont intégrés.
    • Résumé de l'invention :
  • A cet effet, suivant un premier aspect, la présente invention décrit un balun Rat-Race, comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur ; ledit balun étant caractérisé en ce que :
    la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 est de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et est une section de ligne chargée par un condensateur relié à la masse de capacité C2 ; où θ 2 < 135 et les égalités suivantes sont vérifiées : C 2 = − 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = − Z P 1 P 4 tan θ 2 w étant égal à 2πf , avec f la fréquence de fonctionnement, et ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
  • Un tel balun permet de réduire l'encombrement des baluns de type Rat-Race sur les supports électroniques sur lesquels ils sont intégrés.
  • Dans des modes de réalisation, un tel balun comprendra en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes :
    • chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 est une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur de capacité C et; où θ 1 < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1
      • w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
      • Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée ;
    • le balun présente une forme de haricot et les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4 ;
    • la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face ;
    • le balun comporte un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.
  • Suivant un autre aspect, l'invention décrit un procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur, ledit procédé comprenant l'étape suivante mises en œuvre par un dispositif électronique de détermination de caractéristiques de balun Rat-Race :
    • la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 étant de longueur électrique 2θ 2, d'impédance Z3 et étant une section de ligne chargée par un condensateur relié à la masse de capacité C2, détermination de l'impédance Z3 et de la capacité C2, vérifiant θ 2 < 135 et les égalités suivantes : C 2 = − 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = − Z P 1 P 4 tan θ 2
    • w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
    • ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
  • Dans des modes de réalisation, un tel procédé comprendra en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes :
    • chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 étant une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur de capacité C, détermination de l'impédance Z1 et de la capacité C, vérifiant θ 1 < 45° et les égalités suivantes : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée ;
    • le balun présente une forme de haricot et les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4 ;
    • la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face ;
    • le balun comporte un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.
    Brève description des figures :
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées, données à titre d'exemple.
    • [Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement un montage de type push-pull dans un mode de réalisation de l'invention ;
    • [Fig. 2] La figure 2 illustre le remplacement, dans un schéma fonctionnel de balun, des lignes classiques par des lignes chargées ;
    • [Fig. 3] La figure 3 est un schéma fonctionnel de balun dans un mode de réalisation de l'invention ;
    • [Fig. 4] La figure 4 illustre une topologie de balun considérée dans un mode de réalisation de l'invention ;
    • [Fig. 5] La figure 5 représente une ligne de transmission 3λ/4 classique et une ligne 3λ/4 chargée équivalente ;
    • [Fig. 6] La figure 6 représente une ligne 3λ/4 chargée et trois lignes λ/4 chargé équivalentes ;
    • [Fig. 7] La figure 7 représente un procédé de réduction d'encombrement de balun dans un mode de réalisation de l'invention ;
    • [Fig.8] La figure 8 représente une vue de dessus d'un circuit imprimé de dispositif push-pull du type représenté en figure 1 avec un balun en forme de haricot.
  • Des références identiques peuvent être utilisées dans des figures différentes lorsqu'elles désignent des éléments identiques ou comparables.
    • Description détaillée :
  • La figure 1 représente schématiquement un module électronique de traitement 1 de type push-pull dans un mode de réalisation de l'invention, par exemple opérant à haute fréquence et intégré, sur un circuit imprimé, dans le dernier étage d'une chaîne d'émission d'un dispositif électronique de radiocommunication.
  • Le module de traitement 1 comprend un transistor de puissance (« High Power Amplifier »), nommé HPA 11. Il fonctionne sur la bande L (ou toute autre bande de fréquence, en bande étroite, par exemple de largeur inférieure à 20 MHz, voire à 15 MHz et à des puissances pouvant atteindre 1,5 kW peak.
  • Comme il est connu, les transistors de puissance ont une faible impédance d'entrée comparée à l'impédance standard 50 Ω et sont régulièrement composés de deux puces (assimilables à deux transistors), en montage push-pull ici, ce qui impose d'avoir de diviser (splitter) le signal en entrée et de les déphaser entre eux de 180° avant de les fournir en entrée du transistor. Le fait que les signaux fournis en entrée du HPA 11 soient en opposition de phase permet de réduire leurs interférences dues à l'amplification sur deux puces très proches.
  • A cet effet, le module de traitement 1 comprend en amont du HPA 11 un balun 10 dans un mode de réalisation de l'invention.
  • Le signal d'entrée du module de traitement 1, typiquement un train d'impulsions RF dans la bande L (dans l'exemple considéré de puissance In 47 dBm,et de taux de charge 2%), est fourni en entrée du port P1 du balun 10. La puissance de ce signal d'entrée est P.
  • Les deux signaux en sortie des ports P2 et P4, de même puissance P/2 (à +/-0,2 dB % par exemple) et en opposition de phase l'un par rapport à l'autre, sont fournis l'un en entrée d'une des deux puces du HPA 11, l'autre en entrée de l'autre des deux puces du HPA 11.
  • En sortie du HPA 11, les deux signaux amplifiés, en opposition de phase, sont fournis en entrée d'un balun 12, l'un sur son port P2, l'autre sur le port P4. Le balun 12 remet en phase ces signaux l'un par rapport à l'autre et délivre en sortie sur son port P1, la somme de ces deux signaux remis en phase.
  • L'impédance en entrée du balun 10 est Z0, qui est très supérieure à chacune des impédances d'entrée ZE et de sortie ZS du HPA 11. Par exemple, Z0 = 50 Ω et ZE, ZS inférieures à 20 voire à 10 Ω (notamment si transistor LDMOS), par exemple ici 2,5 Ω.
  • Le balun 10, ici construit sur une carte à circuits imprimés (PCB) avec des microstrips par exemple, comporte des sections de ligne de transmission entre chaque port P1, P2, P3, P4.
  • Dans un premier mode de réalisation, chaque section de ligne de transmission entre deux ports adjacents, de façon classique, est de longueur physique (en mètres) λ/4 en-dehors de la section entre les ports adjacents P1 et P4 (i.e. la section qui qui ne comporte pas les ports P2, P3) et qui elle, est de longueur physique 3λ/4, λ étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du signal d'entrée du module de traitement 1. La longueur électrique correspondant à la longueur physique λ/4 est égale à 90°. Comme il est connu, la « longueur électrique » est une manière théorique d'exprimer la longueur d'onde sans avoir à évoquer l'environnement du circuit : PCB (printed circuit board)... Concrètement cela consiste à considérer qu'une longueur d'onde λ correspond à 360°. De manière théorique, pour une application spécifique, il faut garder le même ratio de longueur d'onde. La propagation des ondes EM dépend du milieu, donc en fonction du substrat λ (en m) change, mais pas sa longueur associée (toujours 360°).
  • L'impédance de la ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 est Zc.
  • Dans un deuxième mode de réalisation, chaque section de ligne quart d'onde considérée dans le premier mode de réalisation est remplacée par son équivalent en ligne de transmission chargée par un condensateur.
  • En termes de dimensions physiques, ces sections équivalentes diffèrent, mais en terme de comportement (si on fait l'étude de paramètres S par exemple) elles sont identiques, comme le montre une observation en bande étroite.
  • Cette modification est détaillée dans « Compact Tunable 3 dB Hybrid and Rat-Race Couplers with Harmonics Suppression », Khair Al Shamaileh, Mohammad Almalkawi, Vijay Devabhaktuni, and Nihad Dib, INTERNATIONAL JOURNAL OF MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY, VOL.7, NO.6, NOVEMBER 2012 , et est illustrée en figure 2 pour le cas d'un balun en forme d'anneau : chaque section de ligne de transmission de longueur λ/4 (comme représenté à gauche de la figure 2) est ainsi remplacée (comme représenté à droite de la figure 2) par une section de ligne de transmission de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée en condensateur, i.e. par deux tronçons de ligne de transmission chacun de longueur électrique θ 1 et d'impédance Z1 entrecoupés d'un condensateur mis en parallèle, de capacité C, et donc relié à la masse.
  • On a alors les égalités suivantes :
    Z 1 = Z c tan θ 1
  • Et égalité 0_2 :

    C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1
    où w est la pulsation de fréquence, i.e. ω = 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement du balun, i.e. la fréquence centrale du signal.
  • Une réduction de taille du balun de 52% correspondant notamment au choix d'une valeur de θ 1 inférieure à 45°a été obtenue dans un exemple de réalisation.
  • Le ratio de réduction dépend du θ 1 choisi, et aussi du PCB (notamment son paramètre de permittivité diélectrique εr ) considéré. Il y a une réduction dès lors que θ 1 < 45° : il y a une réduction de la longueur de ligne, qui dépend beaucoup du PCB utilisé, De plus, comme Z1 est inversement proportionnelle à tan(θ 1), que tan(45°) = 1 et que la fonction tan est croissante sur [0 ;45°] alors l'impédance des lignes équivalentes est supérieure à celle de la ligne originale. Dans ce cas il y a une réduction de la largeur de la ligne, qui dépend beaucoup du PCB utilisé, en grande partie de son épaisseur.
  • La valeur de capacité du condensateur ainsi que l'impédance des tronçons de lignes chargées se déduisent des équations ci-dessus les liant à la longueur électrique θ 1 choisie inférieure à 45°. L'impédance étant fonction de la largeur physique de microstrip, cette dernière sont déterminées en fonction de l'impédance Z1 (Z1 désignant ici l'impédance du type impédance caractéristique des lignes chargées, i.e. l'impédance qu'aurait une ligne en entrée si cette dernière était de longueur infinie : elle ne dépend pas de la longueur).
  • Il s'ensuit en outre que la valeur de fréquence de résonance de la ligne de transmission chargée est ajustable en fonction des besoins en modifiant la valeur de C (par exemple en utilisant des condensateurs de type varactor).
  • Dans Shamaileh et al., le changement d'impédance était un effet qui est subi par les auteurs.
  • Il est proposé ici d'exploiter ce changement d'impédance : plus la longueur θ 1 des sections chargées est faible, plus leur impédance est élevée. Lorsqu'on utilise un balun 10 fonctionnant à faible impédance, on a donc plus de marge de manœuvre pour réduire la longueur des lignes avant d'arriver aux limites de fabricabilité associées aux largeurs de lignes. On peut donc obtenir un composant avec des lignes très fines, de longueur réduite, fonctionnant à des impédances faibles.
  • Or, pour répondre à une des spécificités du HPA mentionnées plus haut, il est justement besoin d'un balun 10 fonctionnant à des impédances faibles en sortie P2, P4.
  • Dans un troisième mode de réalisation du balun 10, le deuxième mode de réalisation est modifié en ce que la section de ligne 3λ/4 entre les ports adjacents P1, P4 est remplacée par son équivalent en ligne chargée avec un unique condensateur cette fois, de capacité C2, comme représenté sur le schéma fonctionnel de la figure 3, cette section de ligne est alors constituée par deux tronçons de ligne de transmission chacun d'impédance Z3 et de longueur électrique θ 2, entrecoupés d'un condensateur en parallèle de capacité C2 par ailleurs relié à la masse.
  • Cette topologie est plus contraignante que la précédente exposée dans le deuxième mode de réalisation, car l'impédance des deux tronçons remplaçant la ligne 3λ/4 est alors, contrairement à précédemment, proportionnelle à leur longueur électrique.
  • Cela vient du fait que θ 2 ∈ π 2 3 π 4 mod π , et que la fonction tan() est négative et croissante sur cet intervalle. Le signe « - » de l'égalité 0_3 « transforme » la fonction tan() en un équivalent de la fonction abs(tan) sur cet intervalle. Or abs(tan(θ 2))≥1 sur π 2 3 π 4 mod π .
  • Une réduction supplémentaire de taille du balun 10 peut être obtenue si la valeur de θ 1 est choisie inférieure à 45° et si la valeur de θ 2 est choisie inférieure à 135°, les valeurs d'impédance et de longueur électrique étant déterminées à l'aide des égalités suivantes 0_3 et 0_4.
  • Cette réduction supplémentaire est obtenue notamment si 3θ 1 > θ 2 et si on travaille avec un substrat et des impédances qui n'engendre pas une trop grosse différence de largeur de lignes entre les impédances Z1 et Z3 ( i.e. si on travaille avec un substrat, qui en fonction des impédances Z1 et Z3 utilisées, n'engendre pas une augmentation de la largeur des lignes qui causerait une augmentation globale de la surface couverte par le balun, malgré la diminution de la longueur des lignes) ; un exemple de critère standard est que la longueur doit être au moins supérieure à 3 fois la largeur. Z 3 = − Z P 1 P 4 tan θ 2
    où Z P1P4 est l'impédance de la section de ligne de transmission équivalente entre les ports adjacents P1P4, de longueur physique 3λ/4 et non chargée. C 2 = − 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2
  • Ceci impose de faire des compromis entre les impédances des différents tronçons de lignes du balun : pour réduire la taille du balun, il faut soit diminuer la longueur électrique de ses lignes, soit augmenter l'impédance de ses lignes ; or dans le cas de la ligne 3λ/4 chargée avec un seul condensateur, ces deux paramètres sont proportionnels, un compromis est nécessaire. Il faut également tenir compte de l'impédance des lignes λ/4, si elle est trop différente de celle de la ligne 3λ/4, la rupture d'impédance pourrait baisser les performances. Le contraire est qui si elles sont trop proches, alors cela signifie que θ 1 est proche de 45° et donc que la réduction des lignes λ/4 est moins importante.
  • Les valeurs de capacité C et d'impédance Z1 pour chaque tronçon de longueur 2θ 1 reliant entre eux les points adjacents P1, P2, respectivement reliant entre eux les points adjacents P2, P3, et reliant entre eux les points adjacents P3, P4, restent, eux, déterminées par application des équations 0_1 et 0_2 ci-dessus.
  • La forme d'un balun Rat Race usuellement utilisé est circulaire ou carrée et n'est donc pas idéale notamment pour une utilisation dans un module de traitement du type push-pull 10 sur circuit imprimé, qui présente une structure toute en longueur.
  • Dans un quatrième mode de réalisation, il est donc proposé, de réaliser le balun 10 en lui donnant une forme de « haricot » (dans le plan dans lequel s'étend le circuit imprimé), comme représenté en figure 4, à la place d'une forme d'anneau telle que figurant en figures 2 et 3. Cette nouvelle topologie permet d'orienter les deux ports P2, P4 vers le transistor HPA 11, tout en ayant un port d'entrée P1 orienté à l'opposé, via, par exemple, un transformateur d'impédance.
  • Dans un mode de réalisation, en référence à la figure 4, le balun haricot 10 comprend un périmètre 41 constitué de sections de ligne de transmission. Dans le sens trigonométrique, la section entre les ports P2 et P4 est concave, puis la section entre P4 et P2 est convexe.
  • En référence à la figure 4, chaque condensateur de sections de ligne chargée est relié d'une part à la ligne de transmission formant périmètre 41 et d'autre part à la masse par l'intermédiaire d'un des vias (représentés par des petits cercles en figure 4) dans la zone 40 qui se trouve à l'intérieur du périmètre du balun haricot 10.
  • Dans un mode de réalisation, le balun haricot 10 est construit à l'aide d'arcs de cercle entre les 4 ports consécutifs et les longueurs de ces arcs sont fixées en fonction des longueurs entre ports définies par calcul selon l'un des premier, deuxième et troisième modes de réalisation. La combinaison de cette forme de haricot avec l'utilisation de lignes chargées comme décrit dans les deuxième et troisième modes de réalisation permettent de réduire de manière importante la taille des lignes.
  • Par exemple, dans le cas où l'on souhaite mettre en œuvre la forme haricot combinée avec le deuxième mode de réalisation avec 6 condensateurs, 31, 32, 33, 34, 35, 36, chacun de capacité C : 12 arcs de cercles et leurs longueurs respectives sont définis, avec 2 arcs de cercles concentriques (délimitant une ligne de transmission) entre chaque couple de ports consécutifs : la structure est divisée en 12 arcs de cercle ; l'angle de certains est augmenté (ceux adjacents aux ports P2, P3 et P4), sans changer leur longueur, de manière à obtenir la forme souhaitée.
  • Dans un mode de réalisation, les sections 52, 54 des ports P2 et P4 immédiatement connectées au corps du balun 10 en forme de haricot (s'étendant dans le plan du circuit imprimé) sont parallèles entre elles et s'étirent (dans les modes de réalisation où leur longueur est non nulle) dans une même direction, DE, depuis le corps du balun 10 en forme de haricot. Dans un mode de réalisation, ces deux sections parallèles sont identiques.
  • Dans un mode de réalisation, une section 51 du port P1 (s'étendant dans le plan du circuit imprimé) du balun 10 est parallèle aux sections des ports P2 et P4 et s'étire dans une direction depuis le balun 10 dans une direction opposée, DO. Dans un mode de réalisation, elle est remplacée par une résistance en parallèle
  • Ainsi comme décrit plus haut et de façon classique, dans ce mode de réalisation aussi, le signal d'entrée est fourni en entrée du balun 10 en forme de haricot, au port P1 ; le signal se transmettant dans le balun 10 subit une division de puissance et une opposition de phase et les signaux en sortie des pots P2 et P4 ont une puissance égale à la moitié de la puissance du signal d'entrée et sont en opposition de phase. Le port P3 du balun 10 est isolé (relié par une charge à la terre), dans le module de traitement représenté en figure 1.
  • En sortie du balun 10, l'impédance est par exemple de 12,5 Ω, puis des circuits d'adaptation (longueur différente de λ/4) sont disposés entre le HPA 11 et le balun 10 pour descendre l'impédance jusqu'à ZE si nécessaire (un transformateur d'impédance de façon connue comprend des lignes de transmission comportant des diamètres croissants ou décroissants pour modifier l'impédance).
  • Un balun 10 correspondant au mode de réalisation 2 et/ou 3 est particulièrement adapté aux utilisations en bande étroite.
  • Les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être mis en œuvre indépendamment ou en combinaison : par exemple, dans un mode de réalisation de l'invention, le balun haricot 10 est combiné avec un des premier, deuxième et troisième modes de réalisation de balun. Chacun des modes de réalisation permet de disposer d'un balun avec un encombrement réduit.
  • Dans un mode de réalisation pour que le balun puisse conserver une impédance d'entrée de 50 Ω, en référence à la figure 4, un transformateur d'impédance 42, qui, dans un mode de réalisation, est chargé lui aussi par un condensateur 37 est inséré entre le périmètre 41 du balun 10 et le port P1, pour réduire encore l'encombrement du module de traitement 1. Similairement à ce qui a été expliqué relativement au 2ème mode de réalisation et à l'aide des mêmes égalités 0_1 et 0_2, une portion λ/4 de ligne de transmission du transformateur d'impédance est remplacée par une ligne chargée par un condensateur, qui est plus courte que l'équivalent non chargé.
  • Le balun 10 selon l'invention est donc un répartiteur de signal, avec transformation d'impédance ou non suivant les cas, qui est miniaturisé et optimisé avec des lignes de transmissionchargées par condensateur. L'invention remplace avantageusement la solution historique associant un transformateur d'impédance λ 4 associé à un déphaseur λ 2 . L'invention est encore plus intéressante pour les substrats de faible permittivité (FR-4 ou RO4350b, substrats à faible coût), là où l'encombrement de la solution classique est encore plus significatif.
  • En termes de comparaison avec la solution, l'encombrement est fortement diminué : pour un substrat FR4 HP de constante de permittivité diélectrique de 4,34 et de hauteur 0,245mm, on observe, en référence au tableau ci-dessous, une réduction d'environ 80%, en combinant les modes de réalisation 3 et 4 avec transformateur chargé. Cela dépend de la largeur minimale d'une ligne et de la puissance acceptée dans les lignes et dans les condensateurs. [Table 1]
    Solution historique Solution courante
    Encombrement εr = 4,34, h = 0,245mm εr = 4,34, h = 0,245mm
    S = 40 * 40 = 1600 mm 2 S = 16,5 * 19,6 = 323 mm 2
    Réduction de presque 80%
    Moyens Lignes microstrip Lignes microstrip et 5 à 7 condensateurs
    où εr est la permittivité diélectrique associée au substrat FR4 HP h est l'épaisseur du substrat. et S est la surface du composant.
  • La figure 8 représente une vue de dessus d'un circuit imprimé d'un dispositif push-pull 1 dans un mode de réalisation de l'invention. Le balun 10, respectivement 12 a une forme haricot suivant le quatrième mode de réalisation (cf cadre 10_1, respectivement 12_1). Le cadre 10_2, respectivement 12_2 indique là où se trouve le transformateur d'impédance (la charge du transformateur n'est pas apparente sur cette figure).
  • En référence à la figure 7, un procédé de réduction d'encombrement d'un Balun Rat-Race est maintenant décrit.
  • Dans un mode de réalisation, dans une étape 101 de conception d'un tel Balun Rat-Race, par exemple correspondant au deuxième mode de réalisation, un module de réduction d'encombrement comprenant une mémoire stockant des instructions logicielles et un processeur, détermine, suite à l'exécution des instructions logicielles sur le processeur, les valeurs de Z1 , θ 1 et C du balun 10 vérifiant les égalités 0_1 et 0_2 tel que θ 1 <45°.
  • Par exemple, le substrat à utiliser est connu, la dimension des lignes en fonction de l'impédance et de la longueur diélectrique est donc anticipable. L'impédance de fonctionnement est connu, θ 1 est choisi arbitrairement (en respectant la condition θ 1 <45°), en fonction des valeurs de Z1 et C obtenues. Il est vérifié que les lignes associées sont réalisables techniquement, et répondent aux exigences. En fonction de cette vérification, il est décidé de conserver ce θ 1 ou de le modifier en conséquence. La recherche est affinée à chaque θ 1.
  • Dans un autre mode de réalisation, le module de réduction d'encombrement détermine en outre les valeurs de Z 3 , θ 2 et C2 vérifiant les égalités 0_3 et 0_4 tel que θ 2 <135°.
  • Le balun est ensuite fabriqué en tenant compte de ces caractéristiques.
  • Dans une étape 102 de conception, les longueurs électriques des sections de ligne entre ports du balun étant définies, le module de réduction d'encombrement détermine, en fonction de ces longueurs et des impédances réelles des lignes, les données de définition d'une forme en haricot pour un balun Rat-Race et des ports, pour obtenir un balun haricot tel que décrit plus haut par exemple.
  • Les étapes 101, 102 peuvent par ailleurs être mises en œuvre indépendamment l'une de l'autre.
  • Un tel procédé permet d'obtenir un montage push-pull comportant le Balun Rat-Race construit sous ces conditions, et occupant un encombrement réduit.
  • Le procédé peut être mis en œuvre par l'exécution d'instructions logicielles sur un processeur comme décrit. Alternativement, il peut être mis en œuvre par un hardware dédié, typiquement un circuit intégré numérique, soit spécifique (ASIC) ou basé sur une logique programmable (par exemple FPGA/Field Programmable Gate Array)
    • Justification de l'obtention des égalités 0 3 et 0 4 :
  • En figure 5 sont représentées :
    • à gauche (section a) : une ligne de transmission classique (i.e non chargée par des condensateurs) de longueur physique 3λ/4 et de longueur électrique électrique θq = 270° et
    • à droite (section b) : la ligne équivalente de transmission chargée en condensateur, sous la forme de seulement deux sections de ligne, chacun d'impédance Zcl et de longueur électrique θcl, avec un condensateur C en parallèle, disposé entre les deux sections.
  • La matrice (1) ci-dessous fournit les paramètres ABCD pour la ligne de transmission classique de longueur physique 3λ/4 :
    A q B q C q D q = cos 270 jZ q sin 270 jZ q − 1 sin 270 cos 270 = 0 − jZ q − jZ q − 1 0
  • Ensuite, pour avoir un équivalent, il faut avoir une égalité entre (1) et la matrice ABCD d'un shunt court-circuité (2) multipliée des deux côtés par la matrice d'un tronc chargé en condensateur (3), représenté par (4) :
    M c = A c B c C c D c = 1 0 jωC 1

    M cl = A cl B cl C cl D cl = cos θ cl jZ cl sin θ cl jZ cl − 1 sin θ cl cos θ cl

    M q = M cl M c M cl
  • L'égalité (4) permet d'établir les équations suivantes :
    A q = cos θ cl 2 − ωCZ cl sin θ cl cos θ cl + jZ cl − 1 sin θ cl
    B q = j Z cl sin θ cl cos θ cl − jωCZ cl 2 sin θ cl 2 + cos θ cl 2
  • Grâce à la correspondance entre (1) and (5.a), (6) est déterminée : ωC = 2 Z cl tan 2 θ cl
  • Puis en substituant (6) dans (5.b), il apparaît (7) Z cl = − Z q tan θ cl
  • Enfin, en utilisant (6) et (7), la valeur de la capacité utilisée dans la ligne chargée équivalente est égale à C = − 2 tan θ cl ωZ q tan 2 θ cl
  • Comme C > 0, il s'ensuit que :
    tan θ cl < 0 and tan 2 θ cl > 0
    ou
    tan θ cl > 0 and tan 2 θ cl < 0
  • Utilisant les conditions (9.a) et (9.b), et prenant en compte que Zcl > 0, les seules valeurs possibles pour Θ cl sont :
    θ cl ∈ π 2 3 π 4 mod π
  • Le but est de réduire la longueur de la ligne de transmission 3λ/4 en remplaçant les trois lignes chargées λ/4 par une ligne 3λ/4 chargée comme représenté en figure 6, il est nécessaire de trouver la condition pour :
    3 π 2 > 6 θ cl 3 > 2 θ cl
  • Pour satisfaire (11), il est nécessaire de prendre en compte la condition (10). Finalement, la ligne 3λ/4 chargée peut présenter une réduction de taille pour :
    θ cl ∈ π 2 3 π 4 mod π
  • Par une simulation ADS, il a été démontré que les coupleurs miniaturisés rat-race présentent les mêmes performances pour trois lignes λ/4 chargées en condensateurs et pour une ligne 3λ/4 chargée en condensateur.
  • Au-delà des aspects miniaturisation, ces nouveaux aspects procurent une plus grande flexibilité quant à la valeur de l'impédance.

Claims (10)

  1. Balun Rat-Race (10), comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun (10) étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur ; ledit balun étant caractérisé en ce que :
    la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 est de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et est une section de ligne chargée par un condensateur relié à la masse et de capacité C2 ; où θ 2 < 135 et les égalités suivantes sont vérifiées : C 2 = − 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = − Z P 1 P 4 tan θ 2
    w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
    ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
  2. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 1, dans lequel :
    chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 est une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur relié à la masse et de capacité C et; où θ 1 < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1
    w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
    Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
  3. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
    - le balun présente une forme de haricot et
    - les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4.
  4. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 3, dans lequel la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face.
  5. Balun (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.
  6. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur, ledit procédé comprenant l'étape suivante mises en œuvre par un dispositif électronique de détermination de caractéristiques de balun Rat-Race :
    - la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 étant de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et étant une section de ligne chargée par un condensateur relié à la masse et de capacité C2, détermination de l'impédance Z3 et de la capacité C2, vérifiant θ 2 < 135 et les égalités suivantes : C 2 = − 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = − Z P 1 P 4 tan θ 2
    w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
    ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
  7. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon la revendication 6, selon lequel, chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 étant une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur de capacité C relié à la masse, détermination de l'impédance Z1 et de la capacité C, vérifiant θ 1 < 45° et les égalités suivantes : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1
    w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
    Z c étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
  8. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, selon lequel :
    le balun présente une forme de haricot et
    les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section (52, 54) connectée à la ligne de transmission, la première section (52) du port P2, étant parallèle à la première section (54) du port P4.
  9. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon la revendication 8, dans lequel la première section (52) du port P2 et la première section (54) du port P4 parallèles entre elles se font face.
  10. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, selon lequel le balun comporte un transformateur d'impédance (42) chargé par un condensateur (37) entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission (41).
EP23217926.7A 2022-12-29 2023-12-19 Balun rat-race et procédé de réduction d'encombrement de balun rat-race associé Active EP4395068B1 (fr)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2214619A FR3144710B1 (fr) 2022-12-29 2022-12-29 Balun Rat-Race et procédé de réduction d'encombrement de Balun Rat-Race associé

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP4395068A1 EP4395068A1 (fr) 2024-07-03
EP4395068B1 true EP4395068B1 (fr) 2026-01-21

Family

ID=86100170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23217926.7A Active EP4395068B1 (fr) 2022-12-29 2023-12-19 Balun rat-race et procédé de réduction d'encombrement de balun rat-race associé

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240222827A1 (fr)
EP (1) EP4395068B1 (fr)
FR (1) FR3144710B1 (fr)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5565881A (en) * 1994-03-11 1996-10-15 Motorola, Inc. Balun apparatus including impedance transformer having transformation length
JP4840725B2 (ja) * 2006-07-14 2011-12-21 宇部興産株式会社 積層型バラン
US7639102B2 (en) * 2008-02-20 2009-12-29 Infineon Technologies Ag Reconfigurable duplexing couplers
US8072291B2 (en) * 2008-05-20 2011-12-06 The Regents Of The University Of California Compact dual-band metamaterial-based hybrid ring coupler
WO2009144211A1 (fr) * 2008-05-29 2009-12-03 Nxp B.V. Symétriseur radiofréquence en forme de huit
US9865934B2 (en) * 2012-07-09 2018-01-09 The Ohio State University Ultra-wideband extremely low profile wide angle scanning phased array with compact balun and feed structure
TWI528627B (zh) * 2013-04-24 2016-04-01 矽品精密工業股份有限公司 多頻帶之平衡信號轉換器與其線路結構
US9437929B2 (en) * 2014-01-15 2016-09-06 Raytheon Company Dual polarized array antenna with modular multi-balun board and associated methods
DE102016118025B4 (de) * 2016-09-23 2020-02-27 Balluff Gmbh Ringförmiger Richtkoppler insbesondere für mikrowellenbasierte Distanzsensoren
WO2021148117A1 (fr) 2020-01-22 2021-07-29 Advantest Corporation Circuit diviseur/combinateur de puissance haute fréquence

Also Published As

Publication number Publication date
FR3144710B1 (fr) 2025-09-19
EP4395068A1 (fr) 2024-07-03
FR3144710A1 (fr) 2024-07-05
US20240222827A1 (en) 2024-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1863116B1 (fr) Coupleur directif large bande
EP2345104B1 (fr) Systeme d&#39;antenne dipole differentielle a structure rayonnante coplanaire et dispositif d&#39;emission/reception
EP2184803B1 (fr) Ligne à retard bi-ruban différentielle coplanaire, filtre différentiel d&#39;ordre supérieur et antenne filtrante munis d&#39;une telle ligne
EP2483965B1 (fr) Amelioration de la selectivite d&#39;un coupleur bi-bande
FR2710471A1 (fr) Diviseur de puissance micro-onde réglable.
EP0888647B1 (fr) Antenne helice a alimentation large bande integree, et procedes de fabrication correspondants
FR2984603A1 (fr) Circuit integre comprenant un transformateur integre de type &#34;balun&#34; a plusieurs voies d&#39;entree et de sortie.
EP2184801A1 (fr) Dispositif de filtrage différentiel à résonateurs couplés coplanaires et antenne filtrante munie d&#39;un tel dispositif
EP1995740B1 (fr) Structure inductive plane
FR2977382A1 (fr) Filtre stop bande a rejection elevee et duplexeur utilisant de tels filtres
FR2877163A1 (fr) Reglage du rapport d&#39;impedances d&#39;un balun
FR2999044A1 (fr) Dispositif radiofrequence avec compensation de dispersion de permittivite du substrat et procede de reglage
EP2267910A2 (fr) Circuit de couplage multibandes
EP2204877A1 (fr) Réglage d&#39;un transformateur à changement de mode (balun)
FR2902933A1 (fr) Combineur/diviseur de puissance
FR3107411A1 (fr) Circuit intégré comportant un réseau d’adaptation et de filtrage et procédé d’adaptation et de filtrage correspondant.
EP3235058B1 (fr) Antenne fil-plaque ayant un toit capacitif incorporant une fente entre la sonde d&#39;alimentation et le fil de court-circuit
WO1997035357A1 (fr) Antenne helicoidale a moyens de duplexage integres, et procedes de fabrication correspondants
FR2859584A1 (fr) Balun distribue de type marchand
EP4395068B1 (fr) Balun rat-race et procédé de réduction d&#39;encombrement de balun rat-race associé
EP4395069A1 (fr) Balun rat-race et procédé de réduction d&#39;encombrement de balun rat-race associé
FR2894078A1 (fr) Combineur/diviseur de puissance integree
EP2147478B1 (fr) Coupleur de signaux hyperfrequences en technologie microruban
FR2607639A1 (fr) Rejecteur de bande a grande selectivite, et utilisation d&#39;un tel rejecteur
EP0943176A1 (fr) Melangeur compact doublement equilibre a quad de tecs froids en technologie mmic

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240819

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20251028

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: F10

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-F10-F00 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20260121

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 602023010989

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: FRENCH